JP4694125B2 - 機器の制御又は調整を行う駆動ユニットおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は特に工作機械やロボット等の機器の制御又は調整を行う駆動ユニット、並びにその駆動ユニットの構成要素を結合する方法に関する。

電源系統に直接接続するモータを備えた非調整型の駆動技術から、周波数変換器から給電されるモータを有する可調整型の駆動技術への移行は、それら駆動技術を利用するプロセスに対し多くの利点をもたらす。そのため非調整型の駆動方式を可調整型の駆動方式で置き換える傾向は永年にわたり続いており、それは機械工学においてプロセスの改善、即ち製品品質の向上、更には可調整型機械の生産性の向上に導く新たなコンセプトの実現を可能にする。用途の多様性により、機械工学とは大きく異なる駆動問題の解決策が必要とされている。これは今のところ特殊化された製品又は構成要素間に種々異なるインタフェースを有する積み木箱システムで実現されている。今日の駆動装置の中央構成要素は駆動ユニット内に、種々の要求に適合することは不可能なように互いに結合されている。更に駆動ユニットにおける左程簡単ではない構成要素の市場の革新は、大きく異なる機能の侵害と構成要素間の異なるインタフェースへの大きな侵害なしには実現不可能である。

駆動技術の核心機能の１つ、即ち電力、調整品質又は構造形態に関する要求がユーザのプロセスにおける革新により条件付きで変化する場合も、駆動装置をもはや最適に設計できず、その技術的特性やコストに関して付随的に欠点をもたらすことになる。

今日の駆動装置は多くの機能を実現する。「駆動量を設定する」（例えば電圧や周波数を設定したりバイナリ出力を設定したりする）、「駆動エネルギーを変換する」（例えば電流をトルクに変換する）、「駆動量を測定する」（例えば電流や位置或いは加速度や電圧を測定する）、「駆動量を調整する」（例えば速度、電流或いは圧力を調整する）、更には「駆動量を監視する」（例えばモータ温度、アース電流、位置）等である。最後に、他の機能が重畳制御およびサービスユニットのための通信を実現する。この機能には、例えば速度目標値の受信、速度や警報の通報、調整器の整定等が属する。このような機能は従来技術に従って種々の方法で駆動ユニット内の種々のインタフェースを経て実現されるのであるが、結果として上述の欠点を持っている。

従って本発明の課題は、種々の要求に容易に適合する駆動ユニットを提供するにある。

この課題は、請求項１に記載された構成により解決される。個々の機能や構成要素の一部を変更する際、他の構成要素に関与することなく、上述の変更を各構成要素内で実現できる。

本発明の好適な構成では、少なくとも１つの構成要素が他の構成要素に対し階層的に上位に分類され、下位に分類された全構成要素はインタフェースを経て上位に分類された構成要素と通信する。ここで階層的に上位に分類された構成要素は、所謂「中央インテリジェンス」の課題を受信し、下位に分類された構成要素を制御し、該要素から送出される、例えば工作機械やロボット等の機器のプロセスを制御する物理量の共同作用を実現する。その際、インタフェースは２点間直接接続線を経て接続点に接続できるが、バスシステムを経て互いに接続してもよい。

本発明はまた、複数の機能を割り当てた駆動ユニットを備え、特に工作機械やロボット等の機器の制御又は調整を行う方法により実現できる。その場合、駆動ユニットを類型化した複数の構成要素から構成し、各構成要素タイプに要素固有の機能を割り当て、各構成要素に各々インタフェースとしてユニット化した通信モジュールを組み込み、各構成要素タイプに各々固有のプロトコルを割り当て、少なくとも１つの構成要素を他の構成要素に対し階層的に上位に分類し、下位に分類した全ての構成要素タイプを上位に分類した構成要素とタイプ固有のプロトコルを経て通信させる。

この方法の好ましい構成によれば、下位に分類した各構成要素のタイプ固有のプロトコルを上位に分類した構成要素に駆動ユニットの投入時に伝送する。それにより、以後は上位に分類した構成要素を下位に分類した各構成要素タイプと、そのタイプに固有のプロトコルのみを経て通信させる。

本発明の他の好ましい構成によれば、各構成要素タイプは、自己の各物理量、例えば電流、電圧、電力、温度等により記述され、上位に分類した構成要素に構成要素タイプとは無関係のプロトコルにより伝送される。物理量による記述により、問題のない通信が可能になる。特に物理量の入れ代わりの際、又は物理量の記述の際、上位に分類された構成要素に変更が必要になる事態は生じない。

次に図面を参照し、本発明の一実施例を詳細に説明する。

図１は４つの構成要素、即ち中央駆動制御ユニットＤＣ（ドライブコントローラ）、電力構成要素ＰＵ（パワーユニット）およびアクチュエータ構成要素Ａを含む駆動ユニットを示す。なお、アクチュエータＡは通常電気モータであるが、例えば空気圧式駆動装置であってもよい。４番目の構成要素はセンサＳである。駆動ユニットの構成要素ＤＣ、ＰＵ、Ａ、Ｓは各々固有のインタフェースＳＤ、ＳＰ、ＳＡ、ＳＳを経て指令を受ける。インタフェースＳＤ、ＳＰ、ＳＡ、ＳＳはインタフェースラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３を経て互いに接続されている。インタフェースラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３はシリアルでも、バスシステムでもよい。光ファイバも使用できる。

丸、三角又は台形等の幾何学的図形記号が、完璧性を要求されない形で、各駆動構成要素が実行する種々の機能をシンボル化している。中央制御ユニットＤＣの黒丸は、例えば機能「速度を調整する」のシンボルである。他方、白丸は機能「電流を調整する」のシンボルである。電力構成要素ＰＵの三角印は、例えば機能「電圧を調整する」のシンボル、台形は機能「電流を測定する」のシンボルである。アクチュエータ構成要素Ａで、塗りつぶした台形は機能「速度を測定する」のシンボルであり、塗りつぶした三角は機能「エネルギーを変換する」、即ち電流をトルクに変換することを表すシンボルである。センサ構成要素Ｓにおける台形は機能「経路を測定する」のシンボルである。

上述のように、個々の構成要素ＤＣ、ＰＵ、Ａ、Ｓの図示した機能は間断無く選出される。アクチュエータの他の機能は、例えば「モータを監視する」や「モータを保護する」等であり、更には組み込まれたインタフェースＳＡを経て中央制御構成要素ＤＣと通信することである。センサＳ（単数又は複数）の機能は物理量の測定、例えば距離や角度、温度、圧力等の測定であるが、センサＳ自体の監視やインタフェースＳＳを経て中央制御構成要素ＤＣと通信することも含まれる。

電力ユニットＰＵの他の機能は「自らを監視し保護する」ことであり、上記と同様にインタフェースＳＰを経て中央制御構成要素ＤＣと通信することである。

通常は中央プロセッサユニット（ＣＰＵ）を経て指令を受ける中央制御構成要素ＤＣの機能は、モーメント調整、速度調整、システム診断であり、更に上位の自動化レベル（図示せず）と通信することである。

全ての構成要素は同じ構成のインタフェースＳＳ、ＳＡ、ＳＰを経て中央制御構成要素ＤＣに接続される。このことは、下位の構成要素ＰＵ、Ａ、ＳからインタフェースＳＰ、ＳＡ、ＳＳを経て送出される情報は異なることなく同様にフォーマットされており、その結果、上位の中央制御構成要素ＤＣは異なるフォーマットを識別する必要がなく、場合によって起こり得る変換処理をする必要もないことを意味する。その際、上位の中央制御構成要素ＤＣは下位の構成要素に、もしそれが電流量を送出するなら、事実上物理的な電流量として任意に処理させることを期待できる。即ち０．５Ａの大きさの電流は、例えば浮動小数点表示で０．５Ａと表示され、例えば２進化１６進法で表示されることはない。

インタフェース物理学は、遠隔地への構成要素の分散配置を可能とした。更に２点間直接接続のほかに、インタフェースはバス構造の形でも接続可能である。その際、種々の構成要素タイプ（例えば調節回路、センサ）もバスセグメントで駆動できる。各インタフェースＳＰ、ＳＡ、ＳＳを経る通信は、構成要素の機能により設定される。各構成要素は、構成要素で実現される機能の、上位の中央制御構成要素ＤＣとの通信を可能とする固有のデータ処理モジュール（固有のインテリジェンス）を経て処理を行う。

要するに上述の駆動ユニットにおける駆動構成要素への駆動機能の割当は、固有の各構成要素が個々に刷新できるように選定する。そこで、例えば新たな構造部品を個々の構成要素に組み込んだり、個々の構成要素の機能を機械技術者の新たな要求に適合させたりすることが、それによって他の構成要素に関与せざるを得なくなる事態を回避しつつ、達成できる。このことは、インタフェースを変更なしに維持することで達成できる。

個々の構成要素ＤＣ、ＰＵ、Ａ、Ｓの共同動作は、駆動装置の投入時に各構成要素がそのデータ処理モジュールを経て構成要素のタイプを中央制御構成要素ＤＣに伝送することで実現できる。中央制御構成要素ＤＣは、その後これらの構成要素に対し設定したプロトコルを経てのみこれら構成要素と通信をする。インタフェースＳＰ、ＳＡ、ＳＳを経て中央制御構成要素ＤＣのインタフェースＳＤに伝送された物理量の値は実施形態、即ち構成要素タイプに依存する。しかしそれは、中央制御構成要素ＤＣに、構成要素実施形態には依存しないプロトコルにより通知される。構成要素の物理量の一義的な定義により、場合により存在するソフトウエアの状況と構成要素の実施形態への依存性は存在しない。

４つの構成要素を含む本発明による駆動ユニットの一例を示すブロック図である。

符号の説明

ＤＣ 中央駆動制御ユニット、ＰＵ 電力構成要素、Ａ アクチュエータ構成要素、Ｓ センサ構成要素、ＳＤ、ＳＰ、ＳＡ、ＳＳ インタフェース、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ インタフェースライン

Claims (1)

1. 複数の機能を有する工作機械ないしロボット等の機器の制御又は調整のための駆動ユニットであって、該ユニットが複数の構成要素タイプ、すなわちドライブコントローラ（ＤＣ）、パワーユニット（ＰＵ）、アクチュエータ（Ａ）およびセンサ（Ｓ）の各タイプからなり、各構成要素（ＤＣ、ＰＵ、Ａ、Ｓ）は要素固有の機能を有し、かつ各構成要素（ＤＣ、ＰＵ、Ａ、Ｓ）に各々ユニット化された通信モジュールがインタフェース（ＳＤ、ＳＰ、ＳＡ、ＳＳ）として備えられ、少なくとも１つの構成要素（ＤＣ）が他の構成要素（ＰＵ、Ａ、Ｓ）に対して階層的に上位に分類される駆動ユニットにおいて、各構成要素タイプに機器の制御のための構成要素タイプ固有の制御プロトコルが割り当てられ、下位に分類された全ての構成要素（ＰＵ、Ａ、Ｓ）は上位に分類された構成要素（ＤＣ）と前記構成要素タイプ固有の制御プロトコルを経て通信し、下位に分類された各構成要素（ＰＵ、Ａ、Ｓ）の前記構成要素タイプ固有の制御プロトコルは上位に分類された構成要素（ＤＣ）に駆動ユニットの投入時に伝送されることを特徴とする駆動ユニット。

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